摘 要：三菱IGBT功率模块将功率单元, 驱动单元, 逻辑单元, 传感单元, 检测单元, 保护单元等集成为一体, 这是智能型的三菱IGBT模块, 简称ipm模块 (intelligent power module) 。它使用极为方便, 且十分可靠。由于矿山井下供电距离随着巷道的不断延伸逐渐增加, 供电电压逐渐降低, 这就要求机电设备特别是绞车、电机车要有较好的电压波动适应能力。为此三菱IGBT功率模块不仅适应井下电网的波动, 而且由于集成化设置, 与电阻调速、脉冲调速装置相比, 大大减少了的维修工作任务。
定义:三菱IGBT (insulated gate bipolar transistor) , 绝缘栅双极型晶体管, 是由bjt (双极型三极管) 和mos (绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降2方面的优点。gtr饱和压降低, 载流密度大, 但驱动电流较大;mos-fet驱动功率很小, 开关速度快, 但导通压降大, 载流密度小。三菱IGBT综合了以上2种器件的优点, 驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。三菱IGBT模块原理如图1所示。
1 三菱IGBT模块调速优点
图1 三菱IGBT模块原理图
目前我国煤矿井下直流架线电机车调速器采用2种结构, 即:电阻调速和可控硅脉冲调速:电阻调速的缺点是机车运行时其电机串联电阻消耗电能, 并且触头式控制器的维修量大。可控硅脉冲调速器的缺点是可控硅的工作频率低 (300hz) 因而电路中的滤波电抗、滤波电容、换向电抗、换向电容的电感量很大, 因而体积太大, (一般分为3个部分:即电容箱、主电路箱、控制器) 由于可控硅需要耗能, 因而其效率也较低。
三菱IGBT直流电机调速在国外早已应用, 现正向普及化发展, 因三菱IGBT具有正的温度系数, 无二次电压击穿, 因此可靠性很高;由于三菱IGBT是给信号就通, 停信号就断, 因此不需要用电抗电容器组成的充放电关断电路, 所以其工作频率很高 (可达数万hz) 并且效率也很高 (可达98%) 。
由于调速器采用了三菱IGBT进行高频斩波, 大大减小了滤波电容器的体积, 并免去了换流电容、换流电抗, 实现了整机调速一体化, 方便了安装和维修。该调速器具有短路保护、过流保护、过热保护、欠压保护等保护功能, 工作可靠。
采用三菱IGBT大功率自关断元件组装的电机车斩波调速装置, 具有无级调速、闭环电制动功能, 体积小, 安装简便, 制动效果好, 可显著减少刹车系统的磨损, 延长制动系统各部件的使用寿命和保养周期。同时, 其控制电路采用单片计算机, 计算精确、可靠性高, 使车辆起动、加速平稳, 消除了换流噪音, 提高了车辆的运行质量。
由于该调速器免去了调速电阻箱, 所以节电率高达35%, 按10t电机车的2台24k w电机每天运行18h计算, 日可节电302.4k w·h。如电费按0.5元/k w·h计算, 日节电费151.2元, 年节电费55188元。
2 三菱IGBT驱动简介 (以m57962a模块为例)
绝缘栅双极晶体管 (三菱IGBT) 是80年代出现的新型复合器件, 它集mosfet (metallic oxide semiconductor field effect transistor, 金属氧化物半导体场效应晶体管) 和晶体管的优点于一体。其响应速度快, 工作电流大, 耐压高等优点使得它在开关电源、变频器、逆变器等领域里很受青睐。但由于三菱IGBT自身的特性, 使其工作时会发生擎住效应而导致门极失控, 或者因电流电压过大或不稳定, 造成三菱IGBT损坏而不能正常工作。为此, 对三菱IGBT的驱动和保护 (特别是短路过流保护) 提出了很高的要求。三菱IGBT的驱动电路的形式很多, 为了提高可靠性, 采用专用驱动模块成了研究人员首先考虑的方案。
三菱IGBT专用驱动模块m57962al适于驱动大功率器件, 可根据其内部的自保护功能对其应用电路进行安全可靠设计。该模块采用双电源驱动, 有过流过压检测电路和保证三菱IGBT可靠通断电路。总之, 能够安全地驱动开关、变频器中的大功率三菱IGBT。
3 m57962al内部电路组成及其特点
3.1 内部电路组成
m57962al是日本三菱公司生产的专用驱动模块。其内部结构方框图如图2所示。m57962al是厚模单列直插式封装, 从左至右依次编号, 其中9~12为空端。1端和2端:故障检测输入端;4端:接正电源vcc;5端:驱动信号输出端;6端:接负电源vee;8端:故障信号输出;13端和14端:驱动信号输入端。
图2 m57962al内部结构方框图
3.2 m57962al主要特点
m57962al的主要特点有: (1) 高速输入输出隔离, 绝缘强度高2500vac/min; (2) 适于单片机控制; (3) 内部有定时逻辑短路保护电路, 同时具有延时保护特性; (4) 具有可靠通断措施 (采用双电源) ; (5) 驱动功率大, 可以驱动600a/600v或400a/1200v的三菱IGBT模块。
4 主要性能参数
模块主要性能见表1。
表1 摇m57962al的技术参数
5 驱动保护电路工作原理分析
图2所示实际应用电路具有三菱IGBT过流过压保护功能。当检测到输入1端的电压为7v时, 模块判定为电路短路, 立即通过光耦输出关断信号关断, 从而使其5端输出低电平将三菱IGBT的ge两端置于负向偏置, 可靠关断。同时输出误差信号使故障输出端8端为低电平, 从而驱动外接的保护电路工作。延时2~3s后, 若检测到13端为高电平, 则m57962al恢复工作。稳压管z1用于防止d1击穿而损坏m57962al;rg为限流电阻, dz2和dz3起限幅作用, 以确保三菱IGBT可靠开通与关断, 而不被误导通或击穿。
6 结束语
三菱IGBT功率模块自身工作频率高, 响应速度极快, 工作于开关状态下其开关损耗大, 这就对其驱动可靠安全性提出了更高的要求。采用专用智能驱动模块能够驱动大电流大功率的设备, 能实现对三菱IGBT的过流过压保护, 同时所设计的外围应用电路采用限制基极限流电阻和基射极限幅器, 确保了三菱IGBT功率模块基极不被烧坏和击穿。
